多點(diǎn)協(xié)作傳輸中的聯(lián)合傳輸方法

[摘要] 文章提出了一種多點(diǎn)協(xié)作傳輸中多點(diǎn)聯(lián)合傳輸?shù)姆椒?，該方案將空時(shí)/頻編碼與波束賦形技術(shù)以及預(yù)編碼技術(shù)與波束賦形技術(shù)相結(jié)合，首先進(jìn)行空時(shí)/頻編碼和預(yù)編碼處理，并將經(jīng)過處理后獲得的多路數(shù)據(jù)分別通過波束賦形映射到多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸;然后通過空時(shí)/頻編碼與波束賦形技術(shù)的結(jié)合，接收方獲得更大的分集增益，同時(shí)獲得波束賦形增益;最后將預(yù)編碼處理與波束賦形應(yīng)用到多點(diǎn)協(xié)作中，使得各個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)在接收方合并，從而使得各層之間的信號(hào)更加獨(dú)立，并獲得波束賦形增益。

[關(guān)鍵詞]多點(diǎn)協(xié)作傳輸;多點(diǎn)聯(lián)合傳輸;空時(shí)/頻編碼;波束賦形;預(yù)編碼

In this paper， we propose a multi-point joint transmission method for Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission and reception system. This solution combines beamforming with both space time/frequency coding and pre-coding technologies. The multi-path data obtained by space time/frequency coding and pre-coding will be mapped by beamforming technology to multiple coordinated nodes for transmission. The signal receiver can get bigger diversity gain and beamforming gain as well through the combination of space time/frequency coding and beamforming. Moreover， precoding and beamforming can help the signals transmitted from separated nodes in CoMP system combined at the receiver， which makes the signals at different layers more independent and obtains beamforming gain.

coordinated multi-point transmission and reception; multi-point joint transmission; space time/frequency coding; beamforming; precoding.wireless network; joint radio resource management

隨著LTE-A需求的提出，人們對(duì)小區(qū)平均頻譜效率和小區(qū)邊緣頻譜效率越來越重視，相比較而言，小區(qū)邊緣的頻譜效率最受人們關(guān)注，這主要是因?yàn)長(zhǎng)TE-A系統(tǒng)的上下行都是以正交頻分復(fù)用(OFDM)為基本多址復(fù)用方式的頻分系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的以CDMA為基本多址復(fù)用方式的無線通信系統(tǒng)不同，LTE-A系統(tǒng)沒有處理增益，小區(qū)內(nèi)部因?yàn)橥耆l分正交，所以幾乎沒有干擾問題，但在小區(qū)邊緣處的干擾處理相對(duì)棘手。

多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)是利用多個(gè)小區(qū)的發(fā)射天線協(xié)作傳輸來實(shí)現(xiàn)小區(qū)邊緣處無線鏈路的較高容量和可靠傳輸，可以有效解決小區(qū)邊緣干擾問題。多節(jié)點(diǎn)協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)姆绞街饕梢苑譃閮深?信號(hào)相關(guān)的傳輸方式和信號(hào)非相關(guān)的傳輸方式。相關(guān)的傳輸方式是指要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)在接收方具有一定的相關(guān)特性，從而使得各信號(hào)能夠獲得較大的合并增益;非相關(guān)的傳輸則不需要考慮信號(hào)在接收方的相關(guān)特性，其主要獲得的是分集增益。

本文結(jié)合上述兩類方式，分別提出了基于非相關(guān)的多點(diǎn)聯(lián)合傳輸方式和基于相關(guān)的多點(diǎn)聯(lián)合傳輸方式。

1 多點(diǎn)協(xié)作傳輸系統(tǒng)

多點(diǎn)傳輸系統(tǒng)，主要是基于解決小區(qū)邊緣干擾問題而提出的，其基本原理是對(duì)邊緣用戶干擾較強(qiáng)的多個(gè)小區(qū)通過聯(lián)合調(diào)度降低對(duì)小區(qū)邊緣用戶的干擾，或者聯(lián)合傳輸?shù)姆绞剑M(jìn)一步地提高小區(qū)邊緣用戶的接收功率，從而改善小區(qū)邊緣用戶的感受。其基本原理示意圖如圖1所示。位于小區(qū)邊緣的用戶1(UE1)同時(shí)被多個(gè)小區(qū)1、小區(qū)2以及小區(qū)3服務(wù)。從而消除其他小區(qū)對(duì)邊緣用戶的干擾，同時(shí)可以通過聯(lián)合傳輸提高小區(qū)邊緣用戶的信號(hào)質(zhì)量。

2 多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合傳輸?shù)姆椒?/p>

多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合傳輸是通過對(duì)用戶干擾嚴(yán)重的小區(qū)之間聯(lián)合調(diào)度或者聯(lián)合傳輸解決干擾問題。多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合傳輸方法主要可以分為兩類，非相關(guān)聯(lián)合傳輸和相關(guān)聯(lián)合傳輸。本文分別對(duì)給出的非相關(guān)聯(lián)合傳輸和協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)姆椒ㄟM(jìn)行介紹。

2.1 基于非相關(guān)的多點(diǎn)聯(lián)合傳輸方法

在單小區(qū)的傳輸中，常用的非相關(guān)傳輸?shù)姆绞街饕情_環(huán)傳輸方案，其中文獻(xiàn)[1-3]給出了基于空時(shí)/頻編碼的傳輸分集方案，而文獻(xiàn)[4-6]則給出了基于循環(huán)時(shí)延的傳輸分集方案。多點(diǎn)協(xié)作傳輸系統(tǒng)中，最簡(jiǎn)單的采用類似于組播和廣播業(yè)務(wù)(MBMS)中的傳輸方式，即各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的信號(hào)，通過空間進(jìn)行合并，但是在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于空間信道的隨機(jī)特性，無法保證信號(hào)的有效合并。Alamouti提出的空時(shí)頻編碼的方案可以在2個(gè)發(fā)射天線時(shí)獲得最大的分集增益，而波束賦形技術(shù)，可以使發(fā)射信號(hào)的功率集中在一定角度范圍的方向上，從而使接收方獲得更大接收功率?？諘r(shí)頻分組編碼后得到的多路數(shù)據(jù)在接收方是通過接收算法獲得合并增益的，因此可以考慮將空時(shí)頻分組編碼后的多路數(shù)據(jù)分別映射到不同的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行傳輸。

假設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)序列為[s 1，s 2，…，s n ]，首先進(jìn)行空時(shí)分組碼/空頻塊編碼(STBC/SFBC)編碼，經(jīng)過分集處理后的數(shù)據(jù)表示為

分別將S 1和S 2映射到不同的節(jié)點(diǎn)上，假設(shè)進(jìn)行多點(diǎn)協(xié)作傳輸?shù)母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線數(shù)目為Nti，其中i 表示第i個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)。為了將一路數(shù)據(jù)Sk映射到Nti 個(gè)天線上，設(shè)置波束賦形權(quán)值Bi，并用Bi 對(duì)數(shù)據(jù)Sk進(jìn)行處理，其中Bi為Nti×1的矩陣。則節(jié)點(diǎn)i 發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過空間信道后，在UE測(cè)得的表示形式為:

由公式(2)可以看出，此時(shí)UE側(cè)可以利用He i直接按照Alamouti的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。而He i 為多個(gè)發(fā)射天線與接收天線之間信道通過Bi 處理得到的相關(guān)合并信道，因此可以獲得較大的功率增益，同時(shí)由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間處于不同的物理位置，可以獲得更大的分集增益。

當(dāng)參與協(xié)作的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，可以在上述方法的基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，即將協(xié)作節(jié)點(diǎn)分為兩組，同一組內(nèi)傳輸相同的一路經(jīng)過SFBC編碼的數(shù)據(jù)?；蛘邽榱双@得更大的分集增益，對(duì)數(shù)據(jù)[s 1，s 2，…，s n ]進(jìn)行SFBC+FSTD的編碼，即將

2.2 基于相關(guān)的多點(diǎn)聯(lián)合傳輸方法

預(yù)編碼技術(shù)是指為了簡(jiǎn)化接收機(jī)的檢測(cè)算法，發(fā)射機(jī)事先根據(jù)信道信息進(jìn)行一定的預(yù)處理。預(yù)編碼技術(shù)分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼技術(shù)[7-11]。常用的線性預(yù)編碼技術(shù)包括基于信道奇異值分解(SVD)的預(yù)編碼、基于迫零算法的預(yù)編碼、基于MMSE算法的預(yù)編碼等，而非線性預(yù)編碼中常用的是湯姆林森-哈拉?，旑A(yù)編碼(THP)或臟紙預(yù)編碼。在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的研究討論過程中，對(duì)于預(yù)編碼技術(shù)主要考慮的是基于線性處理的預(yù)編碼。

本文提出的多點(diǎn)聯(lián)合傳輸中的預(yù)編碼處理方式是將預(yù)編碼技術(shù)與波束賦形技術(shù)結(jié)合用于多點(diǎn)協(xié)作傳輸。該方案的基本思想是，不同的參與協(xié)作傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)分別傳輸經(jīng)過預(yù)編碼后得到的一路數(shù)據(jù)，并將該路數(shù)據(jù)進(jìn)行波束賦形之后發(fā)送出去。原理框圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

假設(shè)預(yù)編碼的可用層數(shù)目為L(zhǎng)，在某載波上待發(fā)送的數(shù)據(jù)為[s 1，s 2，…，s L ]T，預(yù)編碼矩陣為W 為P×L 維預(yù)編碼矩陣，其中P 為發(fā)送端口(或協(xié)作節(jié)點(diǎn))的個(gè)數(shù);，為某個(gè)發(fā)送端口進(jìn)行波束賦形所用的波束矢量，其中[.]T 表示對(duì)矩陣的轉(zhuǎn)置。

在這種方法中，假設(shè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為P，首先，對(duì)應(yīng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)p，可以根據(jù)其對(duì)應(yīng)的信道Hp獲得波束賦形矢量Bp，也可以通過信道互益性或DOA估計(jì)方法獲取。經(jīng)過波束賦形后的等效信道為He p =Hp#8226;Bp，其中Hp為N r×N的矩陣，則He p 為N r×1的信道矩陣，于是所有節(jié)點(diǎn)的等效信道構(gòu)成N r×P 的信道矩陣He。進(jìn)一步地，根據(jù)He 可以獲得用于進(jìn)行預(yù)編碼的預(yù)編碼權(quán)值矩陣W。對(duì)應(yīng)于協(xié)作節(jié)點(diǎn)p，使用預(yù)編碼權(quán)值矩陣中的W 的第p 行Wp 進(jìn)行預(yù)編碼處理。因此最終的接收信號(hào)為:

式中，Hn'=Hn Bn ，1≤n≤P 為終端測(cè)得的參與協(xié)作的第n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的信道，為Nr×1維矩陣;Hn，1≤n≤P 為第n個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)與終端間的信道，為N r×N t，n 維矩陣;Bn 為方向權(quán)值矢量，為N t ，n×1維矢量;Wn'，1≤n≤N為1×L 維矩陣。

在上述處理中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的預(yù)處理分為兩個(gè)過程:(1)預(yù)編碼處理。每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用預(yù)編碼權(quán)值矩陣中的一行進(jìn)行預(yù)編碼處理，從而保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的相關(guān)特性。(2)波束賦形處理。保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)在終端所對(duì)應(yīng)的一定角度內(nèi)，從而獲得波束賦形的功率增益。

3 仿真結(jié)果

文獻(xiàn)[12-14]中分別給出了基于系統(tǒng)幀標(biāo)號(hào)(SFN)和基于循環(huán)延遲分集(CDD)的非相關(guān)傳輸方案、基于聯(lián)合預(yù)編碼和獨(dú)立預(yù)編碼的處理方案以及系統(tǒng)幀標(biāo)號(hào)預(yù)編碼方案，本文分別基于相關(guān)和非相關(guān)傳輸方案與其他方案進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

仿真中所使用的參數(shù)配置為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置2對(duì)雙極化天線，參與協(xié)作傳輸?shù)男^(qū)數(shù)目為2，信道模型為城市宏小區(qū)空間信道模型(SCM)，系統(tǒng)帶寬為5 MHz，并采用理想信道估計(jì)方法，基站側(cè)天線間距配置為0.5波長(zhǎng)，終端側(cè)為0.5波長(zhǎng)，檢測(cè)算法采用迫零算法(ZF)檢測(cè)，波束權(quán)值采用基于基于特征值分解的波束賦形(EBB)的方法獲得，非相關(guān)傳輸時(shí)，僅僅傳輸1個(gè)數(shù)據(jù)流，而相關(guān)模式下，傳輸2個(gè)數(shù)據(jù)流。

從仿真結(jié)果來看，當(dāng)采用理想波束權(quán)值時(shí)，在非相關(guān)方式下，本文提出的方案可以獲得很大的增益，而在相關(guān)模式下，性能僅次于聯(lián)合預(yù)編碼方案。

4 結(jié)束語

本文給出了多點(diǎn)協(xié)作傳輸系統(tǒng)中一種多點(diǎn)協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)姆椒ǎ貌ㄊx形技術(shù)與空時(shí)頻編碼或預(yù)編碼技術(shù)結(jié)合，將空時(shí)頻編碼或預(yù)編碼處理后得到的各路數(shù)據(jù)映射到不同的節(jié)點(diǎn)傳輸，從而同時(shí)獲得分集增益和波束賦形功率增益。另外，通過波束賦形技術(shù)，當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)采用相同的賦形處理后，可以實(shí)現(xiàn)終端在接收信號(hào)處理方法上對(duì)多點(diǎn)協(xié)作傳輸與非多點(diǎn)協(xié)作聯(lián)合傳輸透明，從而簡(jiǎn)化終端的處理復(fù)雜度[15-17]。從仿真結(jié)果來看，預(yù)編碼與波束賦形結(jié)合的方法可以獲得與聯(lián)合預(yù)編碼相近的性能，而UE接收的處理復(fù)雜度以及碼本的設(shè)計(jì)復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聯(lián)合預(yù)編碼的性能。而非相關(guān)方式下，將SFBC與波束賦形技術(shù)結(jié)合的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于基于SFN或基于CDD的方案的性能。

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收稿日期:2009-10-28

孫云鋒，西安電子科技大學(xué)畢業(yè)，中興通訊股份有限公司無線預(yù)研部高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信物理層關(guān)鍵技術(shù)，已發(fā)表論文40余篇。

姜靜，西北工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，中興通訊股份有限公司無線預(yù)研部高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信物理層關(guān)鍵技術(shù)，已發(fā)表論文40余篇。

胡留軍，哈爾濱工程大學(xué)畢業(yè)，中興通訊股份有限公司無線預(yù)研部部長(zhǎng)、高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵技術(shù)，已發(fā)表論文80余篇。